流体黏度
黏度是流体的一种属性,不同介质的黏度是指流体对流动的阻抗能力。液体以1cm/s的速度流动时,在每1cm2平面上所需剪应力的大小称为动力黏度,以Pa·s为单位,有时也用泊或厘泊表示(1P= 10-1Pa·s,1cP=10-2P)。流体在管路中流动时,有层流、过渡流和湍流三种状态,搅拌设备中的自动搅拌锅同样也存在这三种流动状态,而决定这些状态的主要参数之一就是流体的黏度。
一般认为黏度小于5Pa·s的为低黏度流体,例如水、蓖麻油、饴糖、果酱、蜂蜜、润滑油重油和低黏乳液等;黏度为5~50Pa·s的为中黏度流体,例如油墨和牙膏等;黏度为50~500Pa · s的为高黏度流体,例如口香糖、增塑溶胶和固体燃料等;黏度大于 500Pa · s的为特高黏流体,例如橡胶混合物、塑料熔体和有机硅等。
对于低黏度介质,用小直径、高转速的自动搅拌锅就能带动周围的流体循环,而高黏度介质则需要直接用搅拌器来推动。适用于低黏度和中黏度流体的叶轮有桨式、开启涡轮式、推进式、长薄叶螺旋桨式、圆盘涡轮式、布鲁马金式、板框桨式、三叶后弯式和MIG式等;适用于高黏度和特高黏度流体的叶轮有螺带式叶轮、螺杆式、锚式、框式和螺旋桨式等。有的流体黏度随反应进行而变化,则就需要用能适合宽黏度领域的叶轮,如最大叶片式、泛能式叶轮和桨叶组合式等。
搅拌装置的功能
搅拌装置可以达到以下功能。 .
- ①易溶物料的混合。易溶物料大多为低中黏度,其混合可选用桨式、轴流型的推进式或三叶变截面螺旋桨,桨式多应用在储罐中,推进式多用于直径小于2000mm的配液罐,直径大于2000mm的配液罐常选用三叶变截面螺旋桨搅拌器。
- ②溶解。介质的性质决定最大溶解速度,当溶解达到最大速度时,再提高搅拌转速并不能提高溶解速度。对于易溶的物料搅拌以考虑离底悬浮为主,低浓度的小罐径比配液罐多选用桨式搅拌器,低浓度的高罐径比配液罐多选用推进式搅拌器,高浓度的高罐径比配液罐多选用三叶变截面螺旋桨或者四叶开启涡轮式搅拌器;若溶解过程中需要细分固体颗粒,则可选用分散效果悬浮效果俱佳的四叶开启涡轮式搅拌器。
- ③结晶。结晶搅拌时常伴随着传热要求,低黏度、低浓度、小结晶颗粒的工况可选用轴流型搅拌器,如推进式或三叶变截面螺旋桨式搅拌器;大结晶颗粒的工况需选用锚式搅拌器;高黏度且易粘壁的工况可选用带上刮板的锚式搅拌器。
- ④悬浮。悬浮搅拌时多选用轴流型搅拌器,对于易悬浮且低浓度的工况,可选用桨式搅拌器;对于低浓度且不易悬浮的工况,可选用推进式搅拌器;对于高浓度的悬浮工况,可选用三叶变截面螺 旋桨或者四叶开启涡轮式搅拌器。
搅拌目的及应用
搅拌器的发展始终与搅拌目的及搅拌应用密不可分,在生物制药行业领域,对搅拌器的要求越来越专业化。例如细菌发酵罐需要中高速多层搅拌器,搅拌能使空气或者氧气快速混匀到液体里,以满足细菌高需氧量;动物细胞悬浮培养用的生物反应器却需要低速、低剪切力的搅拌器,尽可能不损伤细胞,还需要使贴附有贴壁细胞的微载体或者巨载体不会在更换培养基时流走,篮式搅拌器则可以满足此要求。
机械搅拌动密封
机械搅拌对于轴密封油有较高的要求。轴密封的作用是防止染菌和泄漏,搅拌轴的密封为动密封,这是由于搅拌轴是转动的,而顶盖是固定静止的,两个构件之间具有相对运动,这时的密封要按照动密封原理来进行设计。对动密封的基本要求是密封要可靠并且机构要简单,使用寿命要长。发酵罐中使用最普遍的动密封有填料函密封和机械密封两种。
填料函密封的安装原理为填料箱本体固定在发酵罐顶盖的开口法兰上,将转轴通过填料函,然后放置有弹性的密封填料,然后放上填料压盖、拧紧压紧螺栓。填料受压后,产生弹性变形堵塞了填料和轴之间的间隙,转轴周围产生一定的径向压紧力,从而起到密封介质压力的作用。填料函密封具有结构简单、填料拆装方便的特点,同时具有死角多、很难彻底灭菌、容易渗漏及染菌、轴的磨损较严重、增加由于摩擦所损耗的功率、产生大量的摩擦热、寿命较短和需经常更换填料等缺点,因其容易磨损和渗漏,故在发酵罐中已经很少使用。
机械密封也称端面密封,其工作原理为靠弹性元件(弹簧、波纹管)及密封介质压力在两个精密的平面(动环和静环)间产生压紧力,相互贴紧,并作相对旋转运动而达到密封。自动搅拌锅的机械密封的主要作用是将较易泄漏的轴面密封改变为较难渗漏的端面(径向)密封。机械密封的基本结构由摩擦副(即动环和静环)、弹簧加荷装置和辅助密封圈(动环密封圈和静环密封圈)等元件组成。